陜西藍田核桃低溫凍害氣候特征分析

袁曉霞，雷曉英，樂 呼，周 紅

(藍田縣氣象局，陜西 藍田 710500)

藍田縣地處秦嶺北麓，關中平原東南部，暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候，四季冷暖分明，雨量充沛集中，日照充足，為農業生態縣，是陜西省確定的核桃產業發展重點縣，是西安市核桃產業示范縣。目前，藍田縣已發展核桃經濟林20萬hm2，其中掛果面積14萬hm2，年產值近6萬t，產值約3億元，是當地經濟支柱產業之一。但同時由于藍田境內地貌地形復雜，春季倒春寒和晚霜凍時常發生，致使核桃在萌芽、開花期時常遭受低溫凍害，輕則減產，重則造成絕收[1]。本文根據核桃凍害等級指標，對核桃萌芽、開花期低溫凍害日數進行統計，分析藍田縣核桃春季低溫凍害發生主要時段、各等級凍害的發生頻率及特征，對近61 a來藍田核桃凍害期氣溫變化做趨勢分析，運用Mann-Kendall(MK)、滑動t(MTT)及累計距平法對核桃萌芽期、開花期平均氣溫進行突變檢驗，以期為藍田核桃低溫凍害預測、氣候災害防御及核桃穩產增收提供理論依據。

1 資料與方法

1.1 資料

在開展本研究前，筆者與林業部門合作收集大量藍田核桃種植資料，并多次走訪調研種植專家。根據物候期資料記錄，藍田主要種植核桃品種在花期溫度降至2℃以下即可受凍，在萌芽期降至0℃可出現凍害[2]，不同發育期凍害標準有所不同，本文分別按照最低氣溫及持續時間將核桃萌芽、開花期凍害劃分為輕度、中度和重度3個等級，如表1所示。

表1 核桃凍害等級氣象指標

利用藍田縣國家氣象站1960-2020年3月下旬至4月下旬平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、極端最低氣溫的歷史觀測資料，以及歷年核桃春季低溫凍害調查資料、核桃物候期調查資料等，運用氣候統計、趨勢分析和突變檢驗方法研究藍田核桃低溫凍害特征及氣候變化趨勢。

1.2 方法

根據凍害氣象指標，統計核桃萌芽、開花期低溫凍害主要發生時段，分析各等級凍害的發生頻率及特征，利用線性回歸及相關分析法對1960-2020年藍田核桃萌芽、開花期的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫做趨勢分析，傾向率的正負值分別表示氣象指標是呈現上升和下降趨勢[3]。利用Mann-Kendall方法[4]對核桃凍害期近61 a平均氣溫序列在置信區間95%的水平上進行突變檢驗，由于MK方法檢測出來的突變點具有真假突變點的不確定性[5]，因此再結合滑動t檢驗[4]和累計距平法[4]對突變狀況做進一步檢驗，累積距平峰值可以大致判斷突變時間以及演變趨勢。

2 核桃低溫凍害發生時段及特征分析

2.1 核桃低溫凍害發生時段

經調研，藍田主要種植核桃品種為香玲，其萌芽期為3月下旬，最早出現在3月18日，最晚為3月27日。核桃樹萌芽后，抗寒力逐漸下降，如溫度降到-2℃時，新梢、葉芽被凍壞。核桃樹為單性花，雌雄同株、異花序，雌雄花期不一致，香玲為早實雄先行品種。4月初雄花芽開始膨大伸長，同時隨著新梢的初期生長，葉片逐漸展開。4月8日前后自花序基部開始散粉，4月20-25日雄花散粉結束。4月15日前后雌花開放，雌花開放末期最早為4月20日，最晚為5月3日。因此，本文將3月下旬作為核桃萌芽期，4月上旬至下旬為開花期來分析研究。近61年3月20日至5月15日逐日最低氣溫資料顯示，最低氣溫低于0℃最晚出現在2008年4月24日，5月未出現日最低氣溫低于0℃的情況，最低氣溫低于2℃僅在1991年5月2日出現過1次，為1.8℃。個別年份3月中旬核桃處于萌芽初期，遭遇低溫造成凍害程度較輕，所以核桃凍害發生主要時段為3月20日至4月30日。

2.2 核桃凍害發生頻率及特征分析

根據核桃萌芽、開花期凍害等級氣象指標，分別統計核桃萌芽、開花期不同等級的凍害日數及極端最低氣溫出現頻率，如圖1所示。1960—2020年藍田國家氣象站達到凍害氣象指標日數有219d，萌芽期發生凍害日數年均為1.3 d，開花期為2.2 d。

圖1 1960—2020年藍田核桃萌芽—開花期低溫凍害日數及極端最低氣溫統計

從凍害等級來看，輕度凍害發生的日數最多(年均2.2d，占春季凍害的61.2%)，隨凍害等級加重，發生概率減小，中度(年均1.1d)、重度(年均0.3d)凍害分別占凍害日數的29.6%、9.2%[6]。輕度凍害發生時間主要集中在3月下旬，核桃萌芽期，中度、重度凍害發生在4 月上旬，核桃開花初期、展葉期。從凍害發生時間段來看，核桃春季凍害日數呈單峰型分布，3月下旬年均凍害1.3 d，4月上旬是凍害高發期，年均1.5 d，達到頂峰；隨著氣溫快速升高，4月中旬開始凍害日數急劇減少，4月中、下旬年均凍害日數分別為0.65 d、0.15 d。但若有冷空氣、倒春寒等天氣發生，4月中下旬氣溫下降會更明顯，造成的傷害更嚴重[2]。另外，歷史極端最低氣溫也出現在4月上旬，達-6.0℃，出現在1962年4月3日，其次是 3月下旬，達到-5.6℃。

3月下旬核桃處于萌芽期，此時輕度凍害影響萌芽率或延遲萌芽，最終影響核桃的產量和品質[7]。4月上旬一般是核桃的雄花芽膨大期，此時低溫天氣會使雄花芽、葉芽(含混合芽)、新梢都遭受不同程度凍害，輕度凍害可使部分花芽內部變褐色，發育遲緩，果實往往出現畸形；中度凍害則可致大部分芽體干枯，導致當年核桃減產歉收；重度凍害則會使全部花芽、新梢變褐枯死，造成當年核桃絕收[8]。如2018年4月7日受強冷空氣影響，藍田國家氣象站最低氣溫降至-2.2℃，且氣溫低于0℃持續7h，核桃主產區遭受嚴重凍害，雄花芽平均受凍率84%以上，1 a 生枝、新梢受凍率達100%，當年產量減產6成以上。

3 核桃低溫凍害氣溫趨勢分析及突變檢驗

3.1 氣溫趨勢分析

藍田核桃萌芽期近61 a平均氣溫為9.8℃，2018年的距平值最大, 超過61 a平均氣溫5.7℃；1987年的距平值最小，低于61a平均氣溫3.9℃。由圖2(a)可見，萌芽期平均氣溫變化可分為2個階段：1960-1999年，40a中有13a 的氣溫距平值為正, 且只有1963、1969、1971、1973年的距平值超過1℃，其余年份距平值皆較小或為負，該階段為偏冷期[3]；2000-2020年，這21 a中除 2010、2011、2012和2017年以外, 其余17 a氣溫的距平值均大于0，該階段為偏暖期[3]。這些表明2000年以來核桃萌芽期平均氣溫呈現上升的趨勢。

開花期平均氣溫變化幅度相對萌芽期較小，但趨勢類似。由圖2(b)可見，開花期近61a平均氣溫為14.0℃，2016、2019年的距平值最大, 較年均水平高出2.6℃；1963年的距平值最小，較年均水平低2.4℃。從1960-1997年的38 a，有11 a 的氣溫距平值為正, 且僅1961、1974、1978年距平值超過1℃，17 a距平值為負；從1998-2020年的23 a中, 除 2000、2010年距平值為負且較大外，其余年份距平值基本大于0。這表明1998年為開花期平均氣溫冷暖轉折點，1998年后氣溫上升趨勢明顯。

(a)

對近61a藍田核桃萌芽期和開花期的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫做線性趨勢分析，如表2所示。核桃萌芽期平均氣溫、平均最高氣溫的趨勢系數分別為0.36和0.39，均通過了0.01顯著性檢驗，平均最低氣溫趨勢系數為0.25，通過0.05顯著性檢驗；核桃開花期平均氣溫、平均最高氣溫趨勢系數分別為0.45和0.60，均通過了0.001顯著性檢驗，平均最低氣溫趨勢系數為0.09，未通顯著性檢驗。從氣候傾向率來看，萌芽期平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的上升速率分別為0.43 ℃/10a、0.67℃/10a和0.22℃/10a；開花期平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的上升速率分別為0.31℃/10a、0.62℃/10a和0.07℃/10a。核桃萌芽、開花期氣溫總體是呈顯著上升趨勢，以平均最高氣溫上升最為顯著。另外，對萌芽、開花期的極端最低氣溫也做了線性趨勢分析，其年際值雖然也是呈現出波動中緩慢升高的趨勢，但其趨勢系數分別是0.08和0.12，未通過顯著性水平檢驗。

表2 1960-2020年藍田核桃萌芽—開花期氣溫線性趨勢分析

3.2 核桃低溫凍害期氣溫突變檢驗

3.2.1 核桃萌芽期平均氣溫突變分析 圖3(a)為采用Mann-Kendall方法對藍田核桃萌芽期平均氣溫進行的突變檢驗結果。由正序列(UF)看出：20世紀60年代初至70年代初，平均氣溫呈下降趨勢；70年代初期至中期，平均氣溫波動中出現短暫上升；20世紀70年代中期至21世紀初期，呈下降趨勢；2005年后UF值大于0，氣溫呈上升趨勢，并2017年開始超過了α=0.05的顯著性水平。在21世紀初UF線和UB線相交于置信區間內，根據交點位置可判斷藍田核桃萌芽期平均氣溫在2006年前后可能發生突變。

(a) (b)

圖3(b)為藍田核桃萌芽期平均氣溫滑動t統計量曲線。n=61，n1=n2=8，給定顯著性水平α=0.01，按照t的分布自由度，v=n1+n2-2=14，t0.01=±2.98。從1960年以來，t的統計量在1996年、1998年、1999年超過了0.01顯著性水平，極值出現在1999年。說明藍田核桃萌芽期平均氣溫在1999年經歷了一次又降低到增加的轉變。

利用累計距平法分析藍田核桃萌芽期近61a平均氣溫變化趨勢，如圖3(c)所示。由累計距平曲線的變化形態可清晰看出近61a年萌芽期平均氣溫經歷了一次顯著波動。從20世紀60年代初至90年代末期平均氣溫呈下降趨勢，其中70年代初期至中期略有回升，最大累計負距平出現在1999年，21世紀后氣溫開始升高。

綜合分析：1960—2020年藍田核桃萌芽期(3月下旬)平均氣溫序列在1999年發生突變。

3.2.2 核桃開花期平均氣溫突變分析 從藍田縣核桃開花期平均氣溫 Mann-Kendall 曲線(圖 4(a))可以看出，UF線在1997年前呈現振動變化，1962-1964、1968-1973、1975-1977、1995-1997年間小于0，表現為下降趨勢，其余時間為增加趨勢；且1997年后UF值大于0，2011年開始超過了α=0.05的顯著性水平，說明開花期氣溫從21世紀初開始顯著變暖。UF線和UB線在2003年有唯一交點，且交點處于置信區間內，表明藍田核桃開花期平均氣溫MK檢驗突變年份為2003年。

(a) (b)

采用MTT算法，經過多次調整滑動步長，最后同樣取n1=n2=8，信度α=0.01，得出t統計量曲線如圖4(b)所示。曲線顯示t統計量在1997年超過0.01顯著性水平，即MTT檢驗結果核桃開花期平均氣溫在1997年發生突變。由圖4(c)累計距平曲線可看出，峰值同樣出現在1997年。綜合分析得出藍田核桃開花期平均氣溫在1997年發生突變。

3.2.3 氣溫突變前后凍害變化分析 按照藍田核桃凍害氣象指標，統計1960—2020年核桃萌芽、開花期達到氣象指標的凍害日數，分析凍害日數的年變化趨勢如表3所示。對核桃凍害期平均氣溫與凍害日數的作相關性分析，相關系數分別為-0.58和-0.53，均通過了0.001顯著性檢驗。結果表明核桃萌芽期、開花期平均氣溫與凍害日數呈顯著負相關。

表3 1960—2020年藍田核桃萌芽—開花期凍害日數趨勢分析

核桃萌芽期平均氣溫在1999年突變前后總體表現為“先下降后上升”，而凍害日數總體表現為“先增多后減少”的變化趨勢。1960-1998年，凍害日數顯著增多，氣候傾向率為0.35d/10a，趨勢系數為0.26，通過0.05顯著性檢驗；1999-2020年，凍害日數氣候傾向率為-0.25d/10a，趨勢系數為0.14，未通過顯著性檢驗。表明1999年后，隨著核桃萌芽期氣溫升高，凍害發生風險有所降低。

核桃開花期平均氣溫總體呈現升高趨勢，在1997年突變前，表現為波動式的緩慢上升，而1997年后開始顯著升高。對核桃開花期氣溫突變前后的凍害日數做線性回歸及相關性分析，得出1960-1996年,凍害日數氣候傾向率為-0.037℃/10a，趨勢系數為0.03；1997-2020年，氣候傾向率為-0.32℃/10a，趨勢系數為0.22，通過0.1顯著性檢驗。表明核桃開花期凍害日數隨著氣溫升高呈現減少趨勢，只不過突變前減少較為緩慢，而突變后凍害日數顯著減少，凍害發生風險顯著下降。

4 結論

(1)藍田主要種植核桃品種香玲，在3月下旬開始萌芽，4月初花芽膨大同時展葉，4月中下旬雄花雌花相繼開放。凍害主要發生時段集中在3月20日至4月30日，輕度凍害主要集中在3月下旬，核桃處于萌芽展葉期，而中、重度凍害在4月上旬發生頻率最高，核桃處于開花展葉期。

(2)1960—2020年藍田核桃萌芽期和開花期的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均呈現上升趨勢，其中平均氣溫和平均最高氣溫上升趨勢較為顯著。對近61a核桃萌芽、開花期平均氣溫做距平分析，得出萌芽期平均氣溫在2000年以前為偏冷期，2000年以后為偏暖期；開花期平均氣溫冷暖轉折點出現在1998年。

(3)用MK、MTT和累計距平方法對核桃凍害期平均氣溫做突變檢驗，得出：核桃萌芽期平均氣溫在1999年發生突變，突變前后呈現“先下降后上升”趨勢；核桃開花期平均氣溫在1997年發生突變，突變前氣溫波動式緩慢上升，突變后平均氣溫顯著升高。凍害日數變化趨勢與平均氣溫呈負顯著相關性。1999年后，核桃萌芽期凍害發生風險有所降低；1997年后，核桃開花期凍害發生風險顯著下降。同時，通過調研得知，近年來藍田低溫凍害雖然有所減少，但凍害的嚴重程度沒有因次數的減少而呈減弱趨勢，嚴重的花期凍害仍時有發生，因此對凍害的預防措施仍需加強。